СПОСОБ СКВАЖИННОГО ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ БЕЗВОДНЫХ ПОРОД Российский патент 2024 года по МПК E21B43/28 

Область техники

Изобретение относится к области геотехнологии, а именно к способам добычи металлов скважинным подземным выщелачиванием в условиях безводного рудоносного пласта на месторождениях инфильтрационного типа в многолетнемерзлых породах.

Предшествующий уровень техники

Известно, что при отработке пластовых месторождений методом подземного выщелачивания одним из важнейших условий является соответствие гидрогеологическим критериям, что необходимо для установления оптимального геотехнологического режима эксплуатации (обеспечения закачки и откачки растворов, регулирования скорости и направления движения растворов и предотвращения растекания растворов).

Однако имеются месторождения или их части естественно осушенные, не обеспечивающие необходимого гидрогеологического режима.

В настоящее время известно большое количество способов отработки руд на пластовых месторождениях инфильтрационного типа скважинным подземным выщелачиванием. Однако подавляющее их большинство направлено на решения по отработке обводненных рудных залежей, а безводные рудные залежи, характерные для инфильтрационных месторождений палеодолинного типа в настоящее время находятся в технологическом забалансе и не отрабатываются. При этом на этапе подготовки добычного блока к эксплуатации такое явление как многолетнемерзлые породы в которых сооружают технологические скважины способствует замерзанию в них воды, что требует дополнительных мероприятий по оттайке скважин и ведет к затягиванию процесса ввода в эксплуатацию добычных блоков.

Известен способ управления ресурсами подземных вод для добычи урана подземным выщелачиванием из слабообводненных рудных залежей под управлением цифровой гидродинамической модели уранового месторождения, включающий: выявление хорошо и недостаточно обводненных рудных залежей и их участков; определение очередности отработки методом скважинного подземного выщелачивания (СПВ) сначала хорошо обводненных рудных залежей, а затем слабообводненных рудных залежей или их участков; оценку ресурсов остаточных сернокислых растворов в хорошо обводненных отработанных методом СПВ участках рудных залежей, необходимых для обводнения слабообводненных рудных залежей или их участков, обеспечивающие производительность эксплуатационных ячеек более 4 м³/ч; количественную оценку рециклинга остаточной серной кислоты и окислителя урана Fe(III); оценку масштаба реабилитации отработанного участка залежи или залежи в целом, используемого для обводнения слабообводненных залежей или их участков (патент RU 2 765 417). Недостатками данного способа являются:

- отсутствие учета зоны многолетнемерзлых пород, при развитии которых в рудных интервалах перемерзают стволы вновь пробуренных, но не введенных в эксплуатацию технологических скважин, что приводит к деформации обсадной колонны, ее выходу из строя и необходимости ее перебуривания или проведение работ по размораживанию ствола скважины;

- условие, что производительность эксплуатационных ячеек должна быть более 4 м³/ч является некорректным, т.к. в добычной практике СПВ, широко развито дифференцированное содержание урана в продуктивных растворах. Так, например, при одном дебите в 4 м3/час содержание в соседних ячейках может быть, как 90 мг/л, так и 180 мг/л (при высокой продуктивности руды), что допускает дебит во втором случае всего 2 м3/час;

- использование остаточных растворов без их очистки ускорит развитие химической кольматации пласта и снизит эффективность выщелачивания металла. В практике для снижения негативного воздействия механической кольматации обычно используют прудки отстойники, а для снижения роли химической кольматации требуется очистка оборотных растворов от кремнекислоты (Полиновский К.Д. «Комплексный подход к решению проблемы интенсификации процесса подземного скважинного выщелачивания урана». ГИАБ, 2012, с. 64-73).

- откачка и подача остаточных растворов из блока-донора в блок-акцептор без доизвлечения урана из остаточных растворов есть непозволительное расточительство. За 60 летний период скважинной подземной добычи урана отработано достаточно залежей, однако возвращаясь на старые отработанные площади выясняется, что рудоносные пласты заполнены остаточными растворами с ураном, причем некоторые линзы (без наличия нижнего водоупора) могут опускаться под гравитационной силой (Гончаренко С.Н., Бердалиев Б.А. «Методы прогнозирования и оценки техногенного и остаточного скопления урановых руд на месторождениях отрабатываемых способом подземного скважинного выщелачивания». ГИАБ, 2018 №5, с. 43-48.). Извлечение остаточных растворов целесообразно осуществлять путем закачки в пласт кислорода воздуха, который дополнительно доокисляет руду и насыщает растворы ураном (Руденко А.А. Закономерности подземного выщелачивания урана кислородом воздуха при отработке руд на месторождениях инфильтрационного типа. Материалы 5 Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы урановой промышленности», НАК Казатомпром, Алматы, 18-20 сентября 2008 г. с. 81-85). После чего растворы пропускаю через сорбционную установку и затем направляют на блок-акцептор. Так процесс ведут до снижения содержания урана в остаточных растворах до промышленно значимой величины.

-искаженное изображение существующей гидрохимической обстановки на эксплуатационном блоке, полученное авторами при моделировании (патент RU 2765417, стр. 12 рис. 5). На этом рисунке крайние изоконцентрации сульфат - иона начинаются с 1 г/л, тогда как в действительности природные средние содержания сульфат иона составляют 627 мг/л или 0,627 г/л (Геотехнология урана (российский опыт). И.Д. Акимова, А.С. Бабкин, А.Г. Иванов и др. КДУ, М. 2017, с. 151), а изоконцентрации синего, зеленого и желтого цветов не подтверждены скважинной фактурой, что ставит под сомнение достоверность результатов, полученных при данном моделировании.

Известен способ перемещения остаточных растворов с отработанных блоков СПВ методом перекачки растворов на вновь вводимые в эксплуатацию блоки с последующей рекультивацией и рециклингом серной кислоты (Тимаков А.С., Данилов А.А., Кононеров Д.М. «Проведение опыта использования растворов с ранее отработанных блоков при закислении вновь вводимых блоков с рекультивацией подземных вод» //Сборник трудов IX Международной конференции «Актуальные проблемы урановой промышленности»//7-9 ноября 2019, г. Алматы, Республика Казахстан, стр. 251-253). Недостатками такого способа являются:

- откачка и подача остаточных растворов из блока-донора в блок-акцептор без доизвлечения урана из остаточных растворов ведут к производственным потерям добываемого металла;

- использование остаточных растворов без их очистки ускорит развитие химической кольматации пласта и снизит эффективность выщелачивания металла;

- в условиях развития зоны многолетнемерзлых пород, перемерзают стволы вновь пробуренных технологических скважин при условии задержки их ввода в эксплуатацию, что приводит к деформации обсадной колонны, ее выходу из строя и необходимости ее перебуривания или проведение работ по размораживанию ствола скважины.

Наиболее близким (прототип) по технической сущности является способ подземного выщелачивания металлов из безводных горных пород, включающий бурение нагнетательных и откачных скважин, предварительное заводнение безводных частей рудного горизонта или всего безводного горизонта и при достижении уровня воды в откачных скважинах отметки, соответствующей обеспечению откачки, начинают из откачных скважин откачку воды и подачу выщелачивающего раствора в нагнетательные скважины (патент RU 2 126 085). Основным недостатком известного способа является необходимость предварительного заводнения рудоносного пласта, и затем откачку воды, что увеличивает срок процесса подготовки и закисления добычного блока под эксплуатацию.

Заявляемое техническое решение направлено на создание высокоэффективного способа скважинного подземного выщелачивания металлов из безводных или слабообводненных пород.

Раскрытие изобретения

Технический результат, достигаемый применением нового способа отработки безводных руд скважинным подземным выщелачиванием, заключается в возможности вовлечения забалансовых руд в отработку и расширение минерально-сырьевой базы предприятия - недропользователя.

Отличительный существенный признак «заводняют рудные залежи кондиционными остаточными растворами из соседних блоков» предписывает в качестве жидкости использовать кондиционные остаточные растворы из отработанных добычных блоков (кондиционность подтверждают анализы растворов на наличие промышленно значимых содержаний металла. В случае наличия металла в растворах - их направляют на сорбцию и получают дополнительно готовый продукт, что повышает эффективность процесса добычи. Это подтверждает существенность данного признака.

Отличительный существенный признак «заводнение осуществляют поэтапно: на первом этапе кондиционные остаточные растворы откачивают путем подачи в закачные скважины блока - донора газообразного окислителя» регламентирует процесс откачки остаточных растворов из пласта путем подачи в закачные скважины кислорода воздуха, что позволит получить дополнительный металл, за счет доокисления остаточных руд, что является существенным положительным эффектом.

Отличительный существенный признак «окислитель подают под давлением, превышающим давление пласта» является необходимым условием для обеспечения проникновения воздуха в пласт, в противном случае воздух просто не проникнет в пласт и процесса выдавливания жидкости из порового пространства пласта не будет, что и определяет существенность данного признака.

Отличительный существенный признак «откачиваемые кондиционные остаточные растворы направляют на переработку на сорбционную установку» является одновременно и новым так, как в открытых источниках такой прием при проведении выщелачивания металла из безводных пород автору не встречался, а существенность признака обозначена дополнительно получаемым металлом, при этом кондиционные или некондиционные остаточные растворы определяют для каждого месторождения отдельно как минимально промышленные содержания (Солодов И.Н. и др. «Устранение потерь и разубоживания урана при скважинном подземном выщелачивании». //Журнал «Разведка и охрана недр». ВИМС. №7 2018, М. с. 52-58).

Отличительный существенный признак «после сорбции маточные растворы доукрепляют до рН 1,0-1,2 и подают на закисление в рудный безводный пласт блока - акцептора» регламентирует интервал кислотности растворов при котором эффективно идет процесс выщелачивания металла, например урана (Геотехнология урана (российский опыт). И.Д. Акимова, А.С. Бабкин, А.Г. Иванов и др. КДУ, М. 2017, с. 138), что и определяет его существенность.

Отличительный существенный признак «на втором этапе некондиционные остаточные растворы откачивают из блока-донора, доукрепляют до рН 1,0-1,2 и подают в рудный безводный пласт блока-акцептора» аналогично предыдущему признаку предписывает поддерживать кислотность в технологическом интервале для дальнейшего процесса выщелачивания.

Отличительный существенный признак «дебиты откачных скважин в заводняемых ячейках соответствуют суммам дебитов выщелачивающих растворов, подаваемых в закачные скважины» определяет основной закон ведения скважинного подземного выщелачивания-баланс откачки должен быть равным балансу закачки, так как в случае дебаланса в сторону откачки можно сработать уровни пластовых вод и сгорят насосы, а если дебаланс в сторону закачки, то будет перерасход выщелачивающего раствора, растекание за контур блока, что и определяет существенность данного признака.

Отличительный существенный признак «в качестве газообразного окислителя применяют кислород воздуха» предписывает использовать кислород воздуха как наиболее дешевый окислитель, что с экономической позиции является существенным.

Отличительный существенный признак «скважины оборудуют греющими кабелями», например, VARMEL 10VFGM2-CP https://market.yandex.ru или аналогичный, дает в сложных условиях криолитозоны временной запас от замерзания скважин, если они не вовлечены в работу, что особенно важно в зимних условиях при температурах минус 35-40 градусов и делает этот признак весьма существенным.

Отличительный существенный признак «скважины оборудуют греющими кабелями до нижнего уровня распространения многолетней мерзлоты» указывает на нижнюю отметку расположения греющего кабеля относительно распространения зоны многолетнемерзлых пород, в противном случае необогреваемый интервал скважины будет заморожен и потребуются ремонтно-восстановительные работы по размораживанию скважин, что ведет к удорожанию процесса выщелачивания.

Отличительный существенный признак «перед подачей в блок-акцептор оборотные растворы очищают от кремнекислоты» является признаком повышающим эффективность процесса выщелачивания, так как в процессе растворения раствором руд и пород в оборотных растворах накапливаются минеральные вещества, которые отрицательно воздействуют как на сам пласт так и на ионообменные смолы на установке сорбции, поэтому удаление кремнекислоты из выщелачивающих растворов является существенным признаком влияющим на качество процесса добычи (Полиновский К.Д. «Комплексный подход к решению проблемы интенсификации процесса подземного скважинного выщелачивания урана». ГИАБ, 2012, с 64-73).

Отличительный существенный признак «отстойники откачных скважин сооружают ниже подошвы рудного тела не менее чем на 20 м» предписывает создание запаса водяного столба над насосным агрегатом, что предохраняет его от выхода из строя и позволяет увеличить дебит откачной скважины как минимум на 0,3 м³/час при диаметре обсадной колонны 160 мм, что при среднем содержании урана в продуктивном растворе 90 мг/л дает дополнительно 236 кг урана в год с одной скважины.

Совокупность вышеперечисленных отличительных существенных и новых признаков заявляемого технического решения позволит достичь заявленной цели в полной мере. Осуществление изобретения

Ниже приводятся сведения, подтверждающие осуществление предлагаемого изобретения и показана его эффективность по отношению к известным техническим решениям.

На схеме - Фиг. 1, 2, 3, 4 и 5 показаны примеры осуществления заявляемого способа.

Рудный пласт (1) - Фиг. 1 на блоке-акцепторе (2) вскрывают закачными (3) и откачной (4) скважинами, оборудуют фильтрами (5) и отстойником (6), который сооружают не менее чем на 20 м ниже подошвы рудного тела (7), где располагают насосный агрегат (8). На первом этапе - Фиг.1 кондиционные остаточные растворы (КОР) (9) откачивают из блока-донора (10) путем подачи кислорода воздуха (Q₂) (11) в закачные скважины (3) и направляют на установку (12) по переработке растворов (УГТПР). После сорбции маточные растворы доукрепляют до рН 1,0-1,2 и выщелачивающие (BP) растворы (13) подают через закачные скважины (3) в рудный безводный блок-акцептор (2), а из откачной скважины (4) блока-акцептора (2) откачивают продуктивные растворы (ПР) (14). На втором этапе - Фиг. 2 некондиционные растворы (НКОР) (15) откачивают из блока-донора (10), доукрепляют до рН 1,0-1,2 (16) и подают в безводный блок-акцептор (2) через закачные скважины (3). При наличии кремнекислоты (17) в остаточных растворах последние подвергают очистке, доукреплению серной кислотой и направляют в безводный рудный пласт блока-акцептора (2) - Фиг. 3. При наличии зоны многолетнемерзлых пород (18) скважины (3 и 4) оборудуют греющими кабелями (19) до нижней отметки зоны развития многолетнемерзлых пород (20) - Фиг. 4. При отсутствии в районе безводных добычных блоков отработанных залежей, безводный рудный блок (2) заводняют водой из вновь пробуренной скважины (21) - Фиг. 5.

Эффективность использования заявляемого изобретения заключается в расширении минерально-сырьевой базы урана недропользователя за счет вовлечение в отработку технологического забаланса.

Предложенное изобретение относится к области геотехнологии, а именно к способам добычи металлов скважинным подземным выщелачиванием в условиях безводного рудоносного пласта на месторождениях инфильтрационного типа. Способ скважинного подземного выщелачивания металлов из безводных пород включает бурение закачных и откачных скважин, заводнение рудной залежи, откачку растворов из откачных скважин. Заводняют рудные залежи кондиционными остаточными растворами из соседних блоков, причем заводнение осуществляют поэтапно. На первом этапе кондиционные остаточные растворы откачивают путем подачи в закачные скважины блока-донора газообразного окислителя под давлением, превышающим давление пласта, и направляют на переработку растворов на сорбционную установку, после чего маточные растворы доукрепляют кислотой до рН 1,0-1,2 и подают на закисление в рудный безводный пласт блока-акцептора. На втором этапе некондиционные остаточные растворы откачивают из блока-донора, доукрепляют кислотой до рН 1,0-1,2 и подают в рудный безводный пласт блока-акцептора. Дебиты откачных скважин в заводняемых ячейках соответствуют суммам дебитов выщелачивающих растворов, подаваемых в закачные скважины. Технический результат - вовлечение забалансовых руд в отработку и расширение минерально-сырьевой базы предприятия - недропользователя руд. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ скважинного подземного выщелачивания металлов из безводных пород, включающий бурение закачных и откачных скважин, заводнение рудной залежи, откачку растворов из откачных скважин, отличающийся тем, что заводняют рудные залежи кондиционными остаточными растворами из соседних блоков, причем заводнение осуществляют поэтапно: на первом этапе кондиционные остаточные растворы откачивают путем подачи в закачные скважины блока-донора газообразного окислителя под давлением, превышающим давление пласта, и направляют на переработку растворов на сорбционную установку, после чего маточные растворы доукрепляют кислотой до рН 1,0-1,2 и подают на закисление в рудный безводный пласт блока-акцептора, а на втором этапе некондиционные остаточные растворы откачивают из блока-донора, доукрепляют кислотой до рН 1,0-1,2 и подают в рудный безводный пласт блока-акцептора, при этом дебиты откачных скважин в заводняемых ячейках соответствуют суммам дебитов выщелачивающих растворов, подаваемых в закачные скважины.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газообразного окислителя применяют кислород воздуха.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скважины оборудуют греющими кабелями.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скважины оборудуют греющими кабелями до нижнего уровня распространения многолетней мерзлоты.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед подачей в блок-акцептор кондиционные остаточные растворы очищают от кремнекислоты.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что откачные скважины блока акцептора оборудуют отстойником, который сооружают ниже подошвы рудного тела не менее чем на 20 м.